Лабораторная работа №2 Датчики освещенности

Цель работы: изучить принцип действия и характеристики фоторезисторов, вакуумных и ионных фотоэлементов, фотодиодов и фототранзисторов, а так же примеры их использования в сельскохозяйственном производстве.

Программа работы:

I. Изучить, используя справочную и учебную литературу, датчики освещённости следующих типов: 1) фотоэлементы, работающие на внешнем фотоэффекте; 2) фотоэлементы, работающие на внутреннем фотоэффекте; 3) фотоэлементы, работающие на вентильном фотоэффекте.

II. Составить отчёт по работе.

Отчет по работе должен содержать по каждому устройству:

1. Описание изучаемого датчика освещённости.

2. Принцип действия датчика.

3. Основные характеристики датчика.

4. Дать сравнительный анализ фотоэлементов по их основным характеристикам.

5. Схемы подключений рассматриваемых датчиков освещённости в системах автоматики.

6. Область применения и марки выпускаемых промышленностью датчиков освещённости.

Основные положения и методические указания

Датчики освещенности – фотоэлектронные приборы, реагирующие на изменение величины освещенности, светового потока или количества световых импульсов. Они преобразуют световой поток в электрический сигнал.

В качестве воспринимающих элементов датчиков освещенности используются:

1. Фоторезисторы (параметрические фотоэлементы);

2. Вакуумные и газонаполненные - ионные фотоэлементы;

3. Вентильные фотоэлементы (фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и др.).

Принцип действия изучаемых фотоэлементов основан на использовании внешнего, внутреннего или вентильного фотоэффектов.

1. Внешний фотоэффект: проявляется в испускании электронов фотоэлектрическим веществом в окружающее пространство под воздействием световой энергии. К ним относят:

Фотоэлемент с внешним фотоэффектом – представляет собой вакуумный или газонаполненный стеклянный баллон, на внутреннюю стенку которого нанесён фоточувствительный слой, являющийся катодом. Фотокатод вследствие падающего на него излучения испускает электроны, перемещающиеся к аноду под действием электрического поля, создавая тем самым ток внутри фотоэлемента (фототок).

Ионные фотоэлементы – это фотоэлемент с внешним фотоэффектом, колба (баллон) которого наполнена инертным газом. Это делается для увеличения чувствительности датчика освещённости, что определяется усилением фототока за счёт дополнительной ионизации инертного газа фотоэлектронами.

2. Внутренний фотоэффект (фоторезистивный эффект): Заключается в перераспределении электронов в веществе при поглощении им квантов оптического излучения, что изменяет электропроводность вещества. К ним относят фоторезисторы – фотосопротивления, у которых при изменении освещённости меняется внутреннее сопротивление и, следовательно, величина тока в цепи, содержащей этот датчик.

3. Вентильный (фотогальванический эффект): Возникновение Э.Д.С. между двумя разнородными слоями полупроводника или между полупроводником и металлом, обладающим электронной (n) и дырочной (p) проводимостями, под действием световой энергии. К ним относят:

Фотодиод – полупроводниковый воспринимающий элемент лучистой энергии, в котором происходит направленное движение носителей тока при воздействии энергии оптического излучения.

Фототранзистор – полупроводниковый прибор с двумя p–n – переходами, имеющий направленное движение носителей тока и обладающий свойством, одновременно с преобразованием оптической энергии в электрическую, усиливать фототок.

Фототиристор – четырехслойный полупроводниковый переключающий прибор с p–n–p–n – переходами, управляемый энергией оптического излучения.

Фотоёмкость (фотоварикап) – полупроводниковый прибор, эффективная ёмкость которого изменяется в зависимости от интенсивности и спектрального состава оптического потока.

Светодиоды – полупроводниковые диоды, излучающие световую энергию за счёт явления электролюминесценции при протекании тока в структурах с p-n – переходом.

Оптроны – сочетание светодиодов и полупроводниковых фотоприёмников.

К основным характеристикам датчиков освещённости относят: 1) зависимость выходного параметра датчика (фототока) от освещённости или светового потока; 2) передаточная функция датчика; 3) чувствительность датчика (интегральная чувствительность); 4) световая характеристика, спектральная характеристика, вольтамперная характеристика; 5) инерционность (быстродействие) датчика; 6) порог чувствительности; 7) погрешность преобразования.